UCOS+LWIP应用心得.doc

ucos+lwip应用心得 ucos+lwip应用心得 经过几天调试除掉几个bug以后,ucos+lwip在我的44b0+8019开发板上终于跑得比较稳定了.一只觉得lwip是一个不错的开放源码的tcp/ip协议栈,想把自己对lwip的移植和理解写出来.但是由于最近比较忙,lwip的移植也是利用业余时间做的,今天写好了第一部分(lwip的processmodel)先贴上来,如果大家有兴趣我再接着往下写.另外我的移植参看了skyeye扬晔大侠的代码,大家可以去看看扬晔大侠的lwip在ucos上移植的文章和代码. lwip应用心得 lwIP是瑞士计算机科学院（SwedishInstituteofComputerScience）的AdamDunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。Lwip既可以移植到操作系统上,又可以在无操作系统的情况下独立运行. LwIP的特性如下： (1)支持多网络接口下的IP转发 (2)支持ICMP协议 (3)包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议） (4)包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议） (5)提供专门的内部回调接口（RawAPI）用于提高应用程序性能 (6)可选择的Berkeley接口API（多线程情况下） (7)在最新的版本中支持ppp (8)新版本中增加了的IPfragment的支持. (9)支持DHCP协议,动态分配ip地址. 现在网上最新的版本是V0.6.4 1.lwip的进程模型(processmodel) tcp/ip协议栈的processmodel一般有几种方式. 1.tcp/ip协议的每一层是一个单独进程.链路层是一个进程,ip层是一个进程,tcp层是一个进程.这样的好处是网络协议的每一层都非常清晰,代码的调试和理解都非常容易.但是最大的坏处数据跨层传递时会引起上下文切换(contextswitch). 对于接收一个TCPsegment要引起3次contextswitch(从网卡驱动程序到链路层进程,从链路层进程到ip层进程,从ip层进程到TCP进程).通常对于操作系统来说,任务切换是要浪费时间的.过频的contextswich是不可取的. 2.另外一种方式是TCP/IP协议栈在操作系统内核当中.应用程序通过操作系统的系统调用(systemcall)和协议栈来进行通讯.这样TCP/IP的协议栈就限定于特定的操作系统内核了.如windows就是这种方式. 3.lwip的processmodel:所有tcp/ip协议栈都在一个进程当中,这样tcp/ip协议栈就和操作系统内核分开了.而应用层程序既可以是单独的进程也可以驻留在tcp/ip进程中.如果应用程序是单独的进程可以通过操作系统的邮箱,消息队列等和tcp/ip进程进行通讯. 如果应用层程序驻留tcp/ip进程中,那应用层程序就利用内部回调函数口(RawAPI)和tcp/ip协议栈通讯.对于ucos来说进程就是一个系统任务.lwip的processmodel请参看下图.在图中可以看到整个tcp/ip协议栈都在同一个任务(tcpip_thread)中.应用层程序既可以是独立的任务(如图中的tftp_thread,tcpecho_thread),也可以在tcpip_thread中(如图左上角)中利用内部回调函数口(RawAPI)和tcp/ip协议栈通讯 2PortLwiptouCos 在这个项目中我用的硬件平台是s3c44b0x+rtl8019.ucos在44b0上的移植在网上有很多大侠非常详尽的讲解和移植代码.我就不敢罗嗦了.需要说明的一点是lwip会为每个网络连接动态分配一些信号量(semaphone)和消息队列(MessageQueue),当连接断开时会删掉这些semaphone和Queue.而Ucos-2.0不支持semaphone和Queue的删除,所以要选择一些较高版本的ucos.我用的是ucos-2.51. 2.1Lwip的操作系统封装层(operatingsystem.emulationlayer) Lwip为了适应不同的操作系统,在代码中没有使用和某一个操作系统相关的系统调用和数据结构.而是在lwip和操作系统之间增加了一个操作系统封装层.操作系统封装层为操作系统服务(定时,进程同步,消息传递)提供了一个统一的接口.在lwip中进程同步使用semaphone和消息传递采用”mbox”(其实在ucos的实现中我们使用的是MessageQueue来实现lwip中的”mbox”,下面大家可以看到这一点) Operatingsystememulationlayer的原代码在/lwip/src/core/sys.c中.而和具体的操作系统相关的代码在./lwip/src/arch/sys_arch.c中. 操作系统封装层的主要函数如下: voidsys_init(void)/系统初始化 sys_thread_tsys_thread_new(void(*function)(void*arg),void*arg,intprio)/创建一个新进程 sys_mbox_tsys_mbox_new(void)/创建一个邮箱 voidsys_mbox_free(sys_mbox_tmbox)/释放并删除一个邮箱 voidsys_mbox_post(sys_mbox_tmbox,void*data)/发送一个消息到邮箱 voidsys_mbox_fetch(sys_mbox_tmbox,void*msg)/等待邮箱中的消息 sys_sem_tsys_sem_new(u8_tcount)/创建一个信号量 voidsys_sem_free(sys_sem_tsem)/释放并删除一个信号量 voidsys_sem_signal(sys_sem_tsem)/发送一个信号量 voidsys_sem_wait(sys_sem_tsem)/等待一个信号量 voidsys_timeout(u32_tmsecs,sys_timeout_handlerh,void*arg)/设置一个超时事件 voidsys_untimeout(sys_timeout_handlerh,void*arg)/删除一个超时事件 关于操作系统封装层的信息可以阅读lwip的doc目录下面的sys_arch.txt.文件. 2.2Lwip在ucos上的移植. 2.2.1系统初始化 sys_int必须在tcpip协议栈任务tcpip_thread创建前被调用. #defineMAX_QUEUES20 #defineMAX_QUEUE_ENTRIES20 typedefstruct OS_EVENT*pQ;/ucos中指向事件控制块的指针 void*pvQEntries;/消息队列 /MAX_QUEUE_ENTRIES消息队列中最多消息数 TQ_DESCR,*_DESCR; typedef_DESCRsys_mbox_t;/可见lwip中的mbox其实是ucos的消息队列 staticcharpcQueueMemoryPoolCR); voidsys_init(void) u8_ti; s8_tucErr; pQueueMem=OSMemCreate(void*)pcQueueMemoryPool,MAX_QUEUES,sizeof(TQ_DESCR),&ucErr);/为消息队列创建内存分区 /initlwiptaskpriooffset curr_prio_offset=0; /initlwip_timeoutsforeverylwiptask /初始化lwip定时事件表,具体实现参考下面章节 for(i=0;iLWIP_TASK_MAX;i+) lwip_timeouts.next=NULL; 2.2.2创建一个和tcp/ip相关新进程: lwip中的进程就是ucos中的任务,创建一个新进程的代码如下: #defineLWIP_STK_SIZE10*1024/和tcp/ip相关任务的堆栈大小.可以根据情况自 /己设置,44b0开发板上有8M的sdram,所以设大 /一点也没有关系:) /maxnumberoflwiptasks #defineLWIP_TASK_MAX5/和tcp/ip相关的任务最多数目 /firstpriooflwiptasks #defineLWIP_START_PRIO5/ /和tcp/ip相关任务的起始优先级,在本例中优先级可 /以从(5-9).注意tcpip_thread在所有tcp/ip相关进程中/应该是优先级最高的.在本例中就是优先级5 /如果用户需要创建和tcp/ip无关任务,如uart任务等, /不要使用5-9的优先级 OS_STKLWIP_TASK_STK;/和tcp/ip相关进程 /的堆栈区 u8_tcurr_prio_offset; sys_thread_tsys_thread_new(void(*function)(void*arg),void*arg,intprio) if(curr_prio_offsetnext=NULL; timeout-h=h; timeout-arg=arg; timeout-time=msecs; timeouts=sys_arch_timeouts();/返回当前任务定时事件链表起始指针 if(timeouts-next=NULL)/如果链表为空直接增加该定时事件 timeouts-next=timeout; return; / 如果链表不为空,对定时事件进行排序.注意定时事件中的time存储的是本事件 /时间相对于前一事件的时间的差值 if(timeouts-next-timemsecs) timeouts-next-time-=msecs; timeout-next=timeouts-next; timeouts-next=timeout; else for(t=timeouts-next;t!=NULL;t=t-next) timeout-time-=t-time; if(t-next=NULL| t-next-timetimeout-time) if(t-next!=NULL) t-next-time-=timeout-time; timeout-next=t-next; t-next=timeout; break; 函数sys_untimeout从当前任务定时事件链表中删除一个定时事件 voidsys_untimeout(sys_timeout_handlerh,void*arg) structsys_timeouts*timeouts; structsys_timeout*prev_t,*t; timeouts=sys_arch_timeouts();/返回当前任务定时事件链表起始指针 if(timeouts-next=NULL)/如果链表为空直接返回 return; /查找对应定时事件并从链表中删除. for(t=timeouts-next,prev_t=NULL;t!=NULL;prev_t=t,t=t-next) if(t-h=h)&(t-arg=arg) /*Wehaveamatch*/ /*Unlinkfrompreviousinlist*/ if(prev_t=NULL) timeouts-next=t-next; &nbs p;else &nbs p;prev_t-next=t-next; /*Ifnotthelastone,addtimeofthisonebacktonext*/ if(t-next!=NULL) t-next-time+=t-time; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT,t); return; return; 2.2.3“mbox”的实现: (1)mbox的创建 sys_mbox_tsys_mbox_new(void) u8_tucErr; _DESCRpQDesc; /从消息队列内存分区中得到一个内存块 pQDesc=OSMemGet(pQueueMem,&ucErr); if(ucErr=OS_NO_ERR) /创建一个消息队列 pQDesc-pQ=OSQCreate(&(pQDesc-pvQEntries),MAX_QUEUE_ENTRIES); if(pQDesc-pQ!=NULL) returnpQDesc; returnSYS_MBOX_NULL; (2)发一条消息给”mbox” constvoid*constpvNullPointer=0xffffffff; voidsys_mbox_post(sys_mbox_tmbox,void*data) INT8Uerr; if(!data) data=(void*)&pvNullPointer; err=OSQPost(mbox-pQ,data); 在ucos中,如果OSQPost(OS_EVENT*pevent,void*msg)中的msg=NULL会返回一条OS_ERR_POST_NULL_PTR错误.而在lwip中会调用sys_mbox_pos t(mbox,NULL)发送一条空消息,我们在本函数中把NULL变成一个常量指针0xffffffff. (3)从”mbox”中读取一条消息 #defineSYS_ARCH_TIMEOUT0xffffffff voidsys_mbox_fetch(sys_mbox_tmbox,void*msg) u32_ttime; structsys_timeouts*timeouts; structsys_timeout*tmptimeout; sys_timeout_handlerh; void*arg; again: timeouts=sys_arch_timeouts();/返回当前任务定时事件链表起始指针 if(!timeouts|!timeouts-next)/如果定时事件链表为空 &n bsp;sys_arch_mbox_fetch(mbox,msg,0);/无超时等待消息 else if(timeouts-next-time0) /如果超时事件链表不为空,而且第一个超时事件的time!=0 /带超时等待消息队列,超时时间等于超时事件链表中第一个超时事件的time, time=sys_arch_mbox_fetch(mbox,msg,timeouts-next-time); /在后面分析中可以看到sys_arch_mbox_fetch调用了ucos中的OSQPend系统调 /用从消息队列中读取消息. /如果”mbox”消息队列不为空,任务立刻返回,否则任务进入阻塞态. /需要重点说明的是sys_arch_mbox_fetch的返回值time:如果sys_arch_mbox_fetch /因为超时返回,time=SYS_ARCH_TIMEOUT, /如果sys_arch_mbox_fetch因为收到消息而返回, /time=收到消息时刻的时间-执行sys_arch_mbox_fetch时刻的时间,单位是毫秒 /由于在ucos中任务调用OSQPend系统调用进入阻塞态,到收到消息重新开始执行 /这段时间没有记录下来,所以我们要简单修改ucos的源代码.(后面我们会看到). else /如果定时事件链表不为空,而且第一个定时事件的time=0,表示该事件的定时 /时间到 time=SYS_ARCH_TIMEOUT; if(time=SYS_ARCH_TIMEOUT) /一个定时事件的定时时间到 tmptimeout=timeouts-next; timeouts-next=tmptimeout-next; h=tmptimeout-h; arg=tmptimeout-arg; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT,tmptimeout); /从内存中释放该定时事件,并执行该定时事件中的函数 if(h!=NULL) h(arg); /因为定时事件中的定时时间到或者是因为sys_arch_mbo_fetch超时到而执行到 /这里,返回本函数开头重新等待mbox的消息 gotoagain; else /如果sys_arch_mbox_fetch无超时收到消息返回 /则刷新定时事件链表中定时事件的time值. if(timenext-time) timeouts-next-time-=time; else timeouts-next-time=0; u32_tsys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_tmbox,void*data,u32_ttimeout) u32_tucErr; u16_tucos_timeout; /在lwip中,timeout的单位是ms /在ucosII,timeout的单位是timertick ucos_timeout=0; if(timeout!=0) ucos_timeout=(timeout)*(OS_TICKS_PER_SEC/1000); if(ucos_timeout65535) ucos_timeout=65535; &nbs p; /如果data!=NULL就返回消息指针, if(data!=NULL) *data=OSQPend(mbox-pQ,(u16_t)ucos_timeout,&ucErr); else OSQPend(mbox-pQ,(u16_t)ucos_timeout,&ucErr); /这里修改了ucos中的OSQP